计算机网络通信原理数字信号的基带传输

计算机网络通信原理——数字信号的基带传输1数字通信系统•数字基带传输通信系统•数字频带传输通信系统•模拟信号数字化传输通信系统计算机网络通信原理——数字信号的基带传输2第六章数字基带传输传输系统1.数字基带传输概述2.数字基带信号的波形和码型3.数字基带信号的频谱特性4.基带脉冲传输的相关技术计算机网络通信原理——数字信号的基带传输3什么是数字基带传输•原始信号所固有的基本频带称为基带。•未经调制等频率变换处理的原始数据信号称为基带信号。•在数据通信中直接传输基带信号的方式称为基带传输。•计算机、电传机等数字设备输出的二进制序列代码，PCM或ΔM方式输出的码组等等都是数字基带信号。•由于数字基带信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因此适合于在具有低通特性的有线信道中近距离直接传输，我们称之为数字基带传输。•用来传输数字基带信号的通信系统称为数字基带传输系统。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输4为什么要研究数字基带传输•研究基带传输技术的意义主要在于以下几个方面：1.在利用双绞线电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了数字基带传输方式；2.数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；3.任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输5数字基带传输系统•基带传输系统的基本结构如下图所示。它主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和采样判决器组成。•为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步机制。信道信号形成器数字基带信号信道接收滤波器S(t)e(t)数字基带信号噪声n(t)采样判决器同步提取计算机网络通信原理——数字信号的基带传输6•原始基带信号往往不适合直接在信道中传输。•信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号。•这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，以利于同步提取和抽样判决。信道信号形成器信道信号形成器数字基带信号信道接收滤波器S(t)e(t)数字基带信号噪声n(t)采样判决器同步提取计算机网络通信原理——数字信号的基带传输7信道•信道是允许基带信号通过的介质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道信号形成器数字基带信号信道接收滤波器S(t)e(t)数字基带信号噪声n(t)采样判决器同步提取计算机网络通信原理——数字信号的基带传输8接收滤波器•接收滤波器的主要作用是滤除带外噪声，均衡信道特性，使输出的基带波形有利于采样判决。信道信号形成器数字基带信号信道接收滤波器S(t)e(t)数字基带信号噪声n(t)采样判决器同步提取计算机网络通信原理——数字信号的基带传输9采样判决器•抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。•而用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。信道信号形成器数字基带信号信道接收滤波器S(t)e(t)数字基带信号噪声n(t)采样判决器同步提取计算机网络通信原理——数字信号的基带传输10基带系统的各点波形示意图a)是输入的基带信号；b)是进行码型变换后的波形；c)对(a)而言进行了码型及波形的变换，是一种适合在信道中传输的波形；d)是信道输出信号，（发生失真）；e)是接收滤波器输出波形,发生失真和噪声减弱；f)是位定时同步脉冲;g)为恢复的信息误码计算机网络通信原理——数字信号的基带传输11误码的原因•第4个码元发生误码，误码的原因有二：•一是信道加性噪声；•二是传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰。•此时，实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。•显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰，这两点也正是本章讨论的重点。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输12基带传输应解决的问题•设计发送和接收滤波器，选择适当的基带信号波形和码型，使码间干扰尽可能小；•根据最佳接收机原理，通过系统发送和接收滤波器的匹配，在发送功率一定的条件下，使噪声对系统的影响最小。也就是使系统获得最大的输出信噪比，从而降低误码率。•在接收端采用均衡器来补偿和跟踪调整信道特性，使之尽可能理想。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输13第六章数字信号的基带传输1.数字基带传输概述2.数字基带信号的波形和码型3.数字基带信号的频谱特性4.基带脉冲传输的相关技术计算机网络通信原理——数字信号的基带传输14数字基带信号的波形•组成基带信号的单个码元的波形可以是矩形、升余弦脉冲、高斯形脉冲、半余弦脉冲等。•但并非所有基带信号的波形都能在信道中传输：•有的含有丰富的直流和低频成分，不便于提取同步信号；有的易于形成码间串扰……•由于矩形脉冲易于形成和变换，因此基带信号最常用的波形是矩形脉冲。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输15•传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少–满足这种要求的原因是PCM端机、再生中继器与电缆线路相互连接时，需要安装变量器，以便实现远端供电（因设置无人站）以及平衡电路与不平衡电路的连接。•–这是因为一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁感应会引起串音，且这种串音随频率的升高而加剧。对基带传输码型的要求计算机网络通信原理——数字信号的基带传输16•–传输码型功率谱中应含有定时钟信息，以便再生中继器或接收端能提取必需的定时钟信息。•传输码型应具有一定的检测误码能力–数字信号在信道中传输时，由于各种因素的影响，有可能产生误码，若传输码型有一定的规律性，那么就可根据这一规律性来检对基带传输码型的要求计算机网络通信原理——数字信号的基带传输17•对信源统计依赖性最小–信道上传输的基带传输码型应具有对信源统计依赖最小的特性，即对信源经信源编码后，直接转换的数字信号的类型不应有任何限制（例如“1”和“0”出现的概率及连“0”多少等）。•要求码型变换设备简单、易于实现–由信息源直接转换的数字信号不适合于直接在电缆信道中传输，需经码型变换设备转换成适合于传输的码型，要求码型变换设备对基带传输码型的要求计算机网络通信原理——数字信号的基带传输18数字基带传输的常用码型二元码单极性非归零码双极性非归零码单极性归零码差分码（相对码）数字双相码传号反转码密勒码三元码双极性归零码传号交替反转码三阶高密度双极性码计算机网络通信原理——数字信号的基带传输19单极性非归零码•单极性非归零码记作NRZ。•在二元码中用高电平A和低电平(常为零电平)分别表示二进制信息“1”和“0”，在整个码元期间电平保持不变。1110100100011A0计算机网络通信原理——数字信号的基带传输20单极性NRZ码特点1.有直流分量；2.连“0”或连“1”时不能直接提取位同步信息；3.在信道上占用频带较窄；4.发送能量大，利于提高收端信噪比；5.对信道特性变化比较敏感。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输21双极性非归零码•在二元码中用正电平和负电平分别表示“1”和“0”。整个码元期间电平保持不变。•在这种码型中不存在零电平。1110100100011A-A计算机网络通信原理——数字信号的基带传输22双极性NRZ码特点1.当“1”和“0”数目各占一半时无直流分量，但当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份；2.连“0”或连“1”时仍不能直接提取位同步信息；3.对信道特性变化不敏感；4.可在电缆等无接地线上传输。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输23单极性归零码•单极性归零码常记作RZ(L)。•发送“l”时，在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。•它是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。1110100100011A0计算机网络通信原理——数字信号的基带传输24差分码（相对码）•差分码记作NRZI，也称相对码，或不归零交替反转码。•在差分码中，“1”、“0”分别用电平跳变或不变来表示。•若用电平跳变来表示“1”，则称为传号差分码，记作NRZ(M)。若用电平跳变来表示“0”，则称为空号差分码，记作NRZ(S)。•用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。1110100100011A0NRZ(M)计算机网络通信原理——数字信号的基带传输25数字双相码•数字双相码又称为分相码或曼彻斯特码。它用一个周期的方波表示“1”，而用它的反相波形表示“0”。•特点：自含同步时钟，没有直流输出。但编码效率仅为50%。010111001100110100110代码：双相码：+A0-A计算机网络通信原理——数字信号的基带传输26传号反转码•传号反转编码(CMI码)与数字双相码类似，也是一种二电平非归零码。•编码规则为：“l”用交替的“00”和“11”两位码组表示，而“0”则固定地用“01”表示。•特点：含有丰富的定时信息，具有检错功能。11010010+A0-A计算机网络通信原理——数字信号的基带传输27密勒码•密勒码又称延迟调制，它是数字双相码的一种变型。•在密勒码中，“1”用码元周期中点处出现跳变来表示，而对于“0”则有两种情况：当出现单个“0”时，在码元周期内不出现跳变；但若遇到连“0”时，则在前一个“0”结束(也就是后一个“0”开始)时出现电平跳变。1101001+A0-A计算机网络通信原理——数字信号的基带传输28+E-E双极性归零码•三元码幅度取值有三个：+1、0、-1。•三元码种类很多，被广泛地用作脉冲编码调制的线路传输码型。双极性归零码是其中之一。•双极性归零码除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。10100110计算机网络通信原理——数字信号的基带传输29传号交替反转码AMI•AMI码的全称是传号交替反转码。•编码规则：将消息代码“0”(空号)仍变换为传输码的0；将消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的+1、-1、+1、-1、…。•例如：•消息代码：10011000111...•AMI码：+100-1+1000-1+1-1...计算机网络通信原理——数字信号的基带传输30AMI码的特点•由于AMI码的传号交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。•因此，这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。•码型具有一定检错能力；若接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确判决。•但是，AMI码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输31三阶高密度双极性码（HDB3）编码规则：①先把消息代码变换成AMI码，当没有≥4个连0串时，结束编码；②当出现4个以上连0串时，则将第4个0变换成与其前一非0符号同极性的符号，称为破坏脉冲V(即+1记为+V，-1记为-V)。③当相邻V符号之间有奇数个非0符号时，结束编码；④当有偶数个非0符号时，将该小段的第1个0变换成+B或-B，B符号的极性与前一非0符号的相反，并让后面的非0符号从V符号开始再交替变化。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输32三阶高密度双极性码（HDB3）编码示例：•例如：•代码：100001000011000011•AMI码：-10000+l0000-1+10000-1+1•HDB3码：-1000-V+l000+V-1+1-B00-V+1-1特点：（1）和AMI码的大多数特点相同。（2）连0串不超过3个，便于提取定时分量。（3）编码复杂，解码设备简单。计算机网络通信原理——数字信号的基带传输33AMI码和HDB3码之例计算机网络通信原理——数字信号的基带传输34第六章数字信号的基带传输1.数字基带传输概述2.数字基带信号的波形和码型3